第五节　环境温度对空气源热泵性能的影响

在运行过程中影响空气源热泵制热性能的主要参数除了供水温度外，还有室外温度和湿度。供水温度由冷凝温度决定，提高供水温度就要提高冷凝温度；室外环境温度的高低决定蒸发温度的高低；湿度大小决定了空气源热泵结霜的多少与快慢，也对空气源热泵制热性能有很大影响。

当室外温度降低时，蒸发温度降低，一方面吸气比体积会变大，另一方面压缩机的容积效率会降低；这使得空气源热泵在较低的温度下运行时制冷剂的质量流量明显减小，因此会造成制热量的衰减。当相对湿度上升时，机组的结霜速率就会增加，机组霜层的加厚会使蒸发器空气流动阻力加大，空气流量降低；这样会使得室外换热器的换热温差增大，蒸发温度降低，导致制冷剂质量流量减小，同样也会造成制热量的衰减。

室外环境温度对空气源热泵性能的影响有以下几个方面：

①随室外环境温度的降低，热泵制热量衰减，而建筑的热需求却在增加，存在热量供需矛盾问题。

例如，定频单级空气源热泵型空调器在室外环境温度为-15℃时的制热量仅为额定制热量的40%～50%。因此，普通空气源热泵型空调器在室外低环境温度下制热时，一般需要增加电辅热以弥补热泵制热量的不足。

②热泵的COP随室外环境温度降低而下降，运行经济性降低。

③当维持冷凝温度不变时，压缩机排气温度随室外环境温度降低而升高。当室外环境温度较低时，排气温度将超出压缩机正常工作范围，从而导致压缩机过热，系统无法正常工作，严重时还可能导致电动机烧毁。

④蒸发器结霜导致热泵制热量衰减和COP下降。采用逆循环除霜方法时空气源热泵在除霜期间不再向室内供热，相反会从室内吸热。

⑤随着室外环境温度的降低，空气源热泵低压侧管路内的润滑油与制冷剂互溶性变差且润滑油黏度增大，导致回油困难；大量的润滑油积存在低压侧管路等部件内，容易造成压缩机缺油而损坏。长时间停机时，由于制冷剂迁移，大量的液态制冷剂进入压缩机，稀释润滑油，容易造成压缩机启动时润滑不良，并且启动时压缩机内部的制冷剂沸腾将润滑油带出会造成压缩机缺油。另外，在除霜过程中，液态制冷剂回到压缩机内；除霜结束恢复制热时，制冷剂沸腾也会将润滑油带出压缩机。低温环境下长时间停机后启动以及除霜结束恢复制热这两个时段容易发生压缩机损坏现象。

⑥空气源热泵系统在室外低环境温度下工作时，易发生蒸发器中制冷剂蒸发不完全，即部分液态制冷剂进入压缩机的现象，导致过度湿压缩（润滑油被严重稀释）甚至液击，加速压缩机运转零部件的磨损甚至损坏。

一、环境温度对热泵制热性能的影响

准确描述制热性能与室外温度和供水温度的关系，有助于应用者定量地掌握不同室外温度和供水温度条件下空气源热泵的制热性能，方便空气源热泵的选型。如何将结霜对制热性能的影响用损失系数来定量化，将在后面第四章中专门介绍。

文献[21]收集了多个空气源热泵厂家多个型号热泵产品的变工况测试数据并集成汇总，以额定制热性能为基础，在进行测试数据的回归分析之后，通过对多种数学函数关系的分析比较，在可接受的误差范围内，可以采用幂函数关系式将制热量、消耗功率以及性能系数等制热性能指标的变工况规律进行定量关联。在特定进风温度t和出水温度T条件下的制热性能指标，相对于额定条件下的制热性能指标，可以建立关联式（2-3）～式（25）。

式中　t——进风温度，K；

　T——出水温度，K；

　tr——额定进风温度，K；

　Tr——额定出水温度，K；

　θit——进风温度为t时的环境因子；

　θiT——出水温度为T时的需求因子；

　m——环境因子指数；

　n——需求因子指数。

环境因子等于进风温度为t时制热性能指标与进风温度为额定温度tr时额定制热性能指标的比值，需求因子等于出水温度为T时制热性能指标与出水温度为额定温度Tr时额定制热性能指标的比值。在文献[21]中，额定进风温度为7℃/6℃（干球温度/湿球温度），额定出水温度以产品厂家提供的为准，环境因子指数m和需求因子指数n根据厂家提供的产品制热特性曲线图表，用数学回归的方法确定。

对于制热量来讲，实际制热量可以用式（2-6）表示。

式中　Q（t，T）——进风温度为t、出水温度为T时的制热量，kW；

　θQt——制热环境因子；

　θQT——制热需求因子；

　Qr——额定制热量，kW。

在出水温度为额定温度的情况下，制热需求因子为1，空气源热泵机组制热量随室外温度变化的表达式如式（2-7）所示。

为了确定环境因子指数m，确定空气源热泵制热量和环境温度的关系，文献[21]搜集了各大常规空气源热泵和超低温空气源热泵厂家的产品性能具体指数，绘制成图表形式如图2-16所示。

将六个厂家空气源热泵产品在额定出水温度下的制热环境因子与环境温度关系曲线汇总，见图2-17（额定工况的环境温度为7℃，出水温度为45℃）。

将图2-17中的六条曲线分别进行幂函数关系式拟合，拟合出来的环境因子指数如表2-1所示。

由表2-1可见，不同厂家空气源热泵产品的环境因子指数是不同的。RSJ-Y380/MSNI-H空气源热泵机组、LSQWRFE70M/ANI-H风冷热泵模块机组和GNR155ML/NaAs商用暖冷一体机组等产品的环境因子指数在6～7之间，数值较小，表示制热量随环境温度的衰减相对较慢。AAFM系列风冷热泵机组和GD系列40hp NERS-G40D空气源热泵机组等产品的环境因子指数在8以上，其制热量随着环境温度衰减幅度相对较大。但各大厂家的环境因子指数都比较接近，一般在6～8之间，若用一条拟合曲线来拟合各大厂家的制热性能状态点是可行的，拟合结果见图2-18。

拟合结果用公式表达为式（2-8），制热环境因子指数为6.9214。

在已知一台空气源热泵机组名义或额定工况条件制热量的情况下，由式（2-8）可以估算出不同环境温度下的制热量。

定义制热量衰减系数εQ为额定出水温度下，室外空气温度为Ta时的制热量相对于室外空气干球温度为7℃（名义工况）时的名义制热量所损失的比例（该制热量为无霜制热量，不考虑结霜的影响），制热量衰减系数εQ的表达式如式（2-9）所示。

式中　Ta——干球温度，℃。

二、环境温度对热泵性能系数的影响

对于性能系数COP，机组实际运行时的COP可以用式（2-10）表示。

式中　COP（t，T）——进风温度为t、出水温度为T时的COP，W/W；

　θEt——性能系数环境因子；

　θET——性能系数需求因子；

COPr——额定工况下的COP，W/W。

在出水温度为额定温度的情况下，性能系数需求因子为1，空气源热泵机组COP随室外温度变化的表达式如式（2-11）所示。

和上文同理，性能系数环境因子也需要根据各大常规空气源热泵和超低温空气源热泵厂家的产品性能具体指数拟合而定。将各厂家空气源热泵产品在额定出水温度下的性能系数环境因子与环境温度关系曲线汇总，见图2-19（额定环境温度为7℃）。

同样，用一条拟合曲线来拟合各厂家的制热性能系数状态点，拟合结果见图2-20。

拟合结果用公式表达为式（2-12），制热环境因子指数为5.65。

由于目前大部分的空气源热泵在室外空气干球温度为7℃时COP普遍在3.5左右，因此式（2-12）中的COPr可取3.5。

由式（2-13）可以估算出不同环境温度下空气源热泵的性能系数。

三、制热量随环境温度衰减分析

空气源热泵制热量随室外环境温度下降而衰减的原因归纳如下：

①蒸发温度下降会导致压缩机吸气压力下降，吸气比体积增加，从而导致制冷剂单位容积的制热量下降；当压缩机理论输气量（体积流量）不变时，制热量下降，这是空气源热泵制热量衰减的主要原因。

②吸气压力下降会导致压缩机压力比增加，润滑效果变差，压缩机容积效率下降，从而导致实际输气量减小，制热量下降。

③吸气比体积增加和压缩机容积效率下降均会导致制冷剂质量流量减小，从而导致蒸发器和冷凝器的制冷剂侧传热系数下降，蒸发器吸热量和冷凝器放热量（等同于制热量）减小。

④吸气压力下降会导致蒸发器入口干度增加、液态制冷剂动力黏度增加和低压侧气态制冷剂密度减小，蒸发器和吸气管路中流动压降增加。如维持压缩机吸气压力不变，则蒸发压力及其对应的饱和温度有所升高，蒸发器有效换热温差减小，蒸发器吸热量减小，也将导致制热量下降。

⑤当蒸发器翅片表面温度低于湿空气露点温度且低于0℃时，蒸发器表面结霜，霜层增长速度随湿空气含湿量的增加和蒸发温度的下降而增加。霜层厚度增加将导致蒸发器热阻和风阻均增加，制热量迅速衰减。空气源热泵必须进行周期性除霜才能正常运行，而除霜期间制热量为零甚至为负，从而导致平均制热量下降。